戴晓虎团队：基于调理剂循环利用的污泥深度脱水减容技术
高含水率是制约污泥处理处置效率的主要因素之一。脱水可有效实现污泥减容、流动性降低和焚烧热值提高，因此是污泥处理处置全链条工艺路线实现“减污降碳”核心目标最为关键的技术环节。然而，污泥属于有机-无机高度混杂的非均相复杂体系，呈现稳定胶状絮体状态、固液分离极度困难。本团队立足于污泥水-固界面亲和作用机制，创新研发基于调理剂循环利用的污泥脱水减容技术，大幅降低污泥脱水药耗、能耗，为环境友好型污泥脱水处理提供新的技术选择途径。
1 背景需求
城镇污水处理厂污泥（以下简称污泥）是指污水处理过程中，由污染物转化的沉淀物以及通过污染物生物降解而产生的微生物残渣。污泥承载了污水管网进水污染物总量的20%~25%，其中包括多种病原菌、重金属及毒害性有机污染物，如不妥善处置将会造成严重的环境污染风险。污泥的安全处理处置与高效资源化利用对于提高我国水污染控制技术水平具有重要意义。
高含水率特征是限制污泥处理处置效率的主要因素之一，城镇污水处理厂污泥运输、热解、焚烧、土地利用的一系列标准规范均对含水率做出了特定的技术要求，脱水是污泥各类处理处置路线中的共性关键技术环节。特别地，热处理（焚烧、热解）因其减量化、稳定化、能源化效益显著而成为近年来我国污泥终处置的快速发展方向之一，因此，高效、低耗地降低污泥含水率、提高污泥热值也是我国污泥低碳化、集中式、大规模处理处置的重要技术前提。然而，污泥属于有机-无机高度混杂的非均相复杂体系，呈现稳定胶状絮体状态、固液分离极度困难，脱水调理是改善污泥脱水性能、有效实现固液分离的重要保障。
2 技术现状及瓶颈问题
目前，以聚合氯化铝（PAC）、聚合氯化铁（PFC）、聚丙烯酰胺（PAM）为代表的混凝剂（投加量污泥干基质量的3~10%）、絮凝剂（投加量污泥干基质量的0.1~0.3%）仍是广泛使用的污泥脱水调理剂，其通过电性中和与吸附架桥作用改变污泥固体颗粒的表面电性和聚集状态，可在一定程度上降低污泥的间隙水含量，并强化固体颗粒沉降分离性能。
然而，水处理领域中的混凝/絮凝理论对于高固体浓度的污泥体系并不适用，混凝剂/絮凝剂投加量与污泥表面电性以及颗粒粒径的量化对应关系尚不明确，不同来源污泥固体表面电性、颗粒粒径、孔隙率等物理性质的最优化范围并无统一定论，导致基于混凝/絮凝的污泥脱水调理技术优化控制的理论依据仍不完善，同一种混凝剂/絮凝剂对不同来源污泥的调理效果存在很大差异，普遍存在药耗高、效率低、难以精准调控等问题；此外，聚合氯化铝（PAC）、聚合氯化铁（PFC）的投加向污泥中引入大量氯离子，加剧了污泥焚烧工艺中的二噁英生成风险，Fe3+的引入则会造成污泥处理设备的腐蚀。
上述问题严重限制了传统脱水调理技术在污泥深度脱水+热干化+热解/焚烧工艺中的可持续推广应用，导致污泥脱水已成为制约污泥处理处置全链条工艺效率提升的主要技术瓶颈。因此，在兼顾污泥有效脱水的前提下，若能实现脱水调理剂的循环回收利用，可有效降低污泥脱水的药耗、能耗，对于提高污泥处理处置技术水平具有重要意义，具有广阔的市场应用前景与良好的社会环境效益。
3 技术原理
本团队在前期研究中系统分析了污泥持水性能的影响因素，开拓了以分子构象解析为主要切入点的污泥持水性能形成机制新研究思路（Environmental Science & Technology, 2017, 51: 9235−9243），利用宏蛋白质组学系统分析了污泥胞外蛋白质的来源、氨基酸序列和分子功能，并从分子结构尺度阐明了影响污泥主要持水物质水分子亲和能力的本质机理，发现了以α-螺旋亲水、β-折叠疏水为代表的胞外蛋白质两亲性分子构象特征是决定污泥固体表面亲疏水性能的关键因素，亲水端（α-螺旋）与水分子亲和接触，而疏水端（β-折叠）既可以包裹在亲水性结构单元中（如β-折叠嵌入α-螺旋的筒体中），也可能与其他疏水性物质亲和（如细胞壁纤维素类、细胞膜磷脂类等），进而导致污泥呈现亲水性组分包裹疏水性组分稳定悬浊于水中的胶体结构特征（Water Research, 2022, 213: 118169；Water Research, 2021, 202: 117461；Water Research, 2020, 180: 115-133）。
根据“相似相溶”原理，污泥固体表面亲水性组分和水分子均属于极性分子结构单元；若能降低污泥液相极性，则可以有效削减污泥固体表面极性分子与液体分子的相互作用力，大幅降低污泥固-液界面亲和性能，从而失稳污泥胶状絮体结构、提升固液分离效率。基于上述理论假设，本团队遵循逆向思维，在不改变污泥固体化学组成的情况下，创新性地提出通过调控污泥液相极性削减胞外蛋白质极性官能团与液相极性分子之间亲和力的技术思路，利用水溶性有机溶剂诱导胞外蛋白质分子结构变性、暴露疏水性官能团，从而削减污泥固-液界面亲和作用、提高固液分离性能，并基于盐析分离和减压蒸馏技术构建了脱水调理剂循环利用的污泥深度脱水工艺流程（Chemical Engineering Journal, 2021, 409, 128212；发明专利202010661533.X；202010775794.4；202010810797.7），为环境友好型污泥高效脱水技术提供了新的技术选择途径。
4 工艺流程
调理剂循环利用的污泥深度脱水处理技术方法，其包括如下步骤：
二沉池剩余污泥通过投加量0.1~0.3 wt.%DS的PAM调理，联合带式压滤机或叠螺压滤降低含水率至80%；
将水溶性有机调理剂与含水率80%污泥按质量比0.75~2:1混合，搅拌萃取反应5~10 min，使污泥中极性持水物质由固液相界面转移至有机相，进而降低污泥持水能力、提高污泥的固液分离性能；
通过板框压滤方式（压滤脱水的压力为0.1~0.6 MPa，压滤时长15~30 min）进行二次固液分离；
利用减压蒸发（操作温度30~60 ℃，真空度为0.04~0.08 MPa）+冷凝的方式实现脱水泥饼中溶剂的有效回收，进而在显著提高泥饼含固率的同时完成溶剂型污泥脱水调理剂的循环利用；
利用盐析实现滤液中溶剂的非热回收，通过投加盐降低溶剂与水的互溶比例，促进溶剂的析出分离。
5 工艺效果及应用前景
本技术方法简单易行，脱水调理剂近零消耗，可以克服传统污泥脱水-热干化工艺药剂投加量大、污泥增容比高、脱水效率低、干化能耗高等缺点，添加溶剂后的二次脱水可提升含固率至55%以上，溶剂回收后污泥最终含水率可降低至30~40%。不仅减少污泥调理剂投加可能产生的二次环境污染风险，而且还可以高效降低污泥含水率，且该工艺从污泥固-液亲和性能的本质机理出发设计技术思路，因此广泛适用于市政污泥以及含油污泥、页岩气开采废物、喷涂废物等多种工业源危险泥质废物，具有较高的社会环境效益和广阔的市场应用前景。
技术来源
同济大学环境科学与工程学院戴晓虎教授团队
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